Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong những năm gần đây, phát điện phân tán (Distributed Generation - DG) dựa trên các nguồn năng lượng phân tán (Distributed Energy Resources - DERs) như năng lượng mặt trời và năng lượng gió phát triển nhanh chóng nhằm thay thế mô hình phát điện tập trung truyền thống. Sự chuyển dịch này giúp giảm phát thải, nâng cao hiệu suất chuyển đổi và giảm tổn thất trên hệ thống truyền tải và phân phối, biến lưới phân phối thụ động thành lưới phân phối tích cực (Active Distribution Network - ADN). Để khai thác các lợi thế của DG, mô hình lưới điện vi mô (Microgrid - MG) được thiết lập nhằm kết hợp nguồn phát, phụ tải cục bộ và hệ thống lưu trữ năng lượng (Energy Storage System - ESS) thành một phân hệ có khả năng vận hành nối lưới hoặc độc lập.

Trong hệ thống quản lý năng lượng vi lưới (Microgrid Energy Management System - MG-EMS), dự báo phụ tải ngắn hạn (Short-term Load Forecasting - STLF) đóng vai trò là dữ liệu đầu vào phục vụ bài toán tối ưu hóa điều độ công suất, giao dịch năng lượng và vận hành kinh tế. Tuy nhiên, việc dự báo phụ tải ngắn hạn đối mặt với nhiều thách thức khi áp dụng ở quy mô nhỏ, đặc biệt là cấp độ tòa nhà:

  • Đặc tính tiêu thụ điện của các tòa nhà có quy mô nhỏ, dao động mạnh và mang tính phi tuyến cao so với phụ tải tổng quy mô quốc gia.
  • Dữ liệu thu thập từ công tơ thông minh thường xuyên xuất hiện lỗi khuyết dữ liệu (missing data) và điểm dị biệt (outliers) kéo dài nhiều giờ, nhiều ngày hoặc nhiều tuần do giới hạn bộ nhớ bộ tập trung dữ liệu hoặc thiết bị đo chưa chuẩn hóa.
  • Trong các hệ thống vi lưới có ESS chiếm ưu thế, việc lập lịch vận hành theo chiến lược cuốn chiếu (rolling-horizon) yêu cầu thông tin phụ tải phải được cập nhật liên tục từng giờ, đòi hỏi quy trình dự báo và tái huấn luyện mô hình tương ứng trong thời gian thực.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là sự thiếu hụt một phương pháp dự báo phụ tải kết hợp xử lý dữ liệu lỗi/dị biệt hiệu quả, tự động hóa gán nhãn đặc trưng và cơ chế cập nhật mô hình theo từng giờ tương thích với chiến lược vận hành rolling-horizon của hệ thống lưu trữ năng lượng vi lưới.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu đặc tính tiêu thụ điện và phân tích tương quan giữa phụ tải với các yếu tố thời tiết (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió) để chọn lọc tập đặc trưng đầu vào phù hợp.
  2. Xây dựng thuật toán tiền xử lý dữ liệu nhằm phát hiện điểm dị biệt dựa trên Gradient và bù đắp dữ liệu khuyết/dị biệt bằng kỹ thuật phân cụm phân cấp (Hierarchical Clustering).
  3. Đề xuất phương pháp tự động gán nhãn các biến nhị phân bằng thuật toán phân cụm nhằm giảm thiểu can thiệp thủ công và hạn chế sai số do biến động dữ liệu.
  4. Thiết kế mô hình dự báo phụ tải ngắn hạn dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) kết hợp kỹ thuật phân cụm (K-means, Sparsified K-means).
  5. Thiết lập quy trình triển khai STLF cập nhật dữ liệu và tái huấn luyện mô hình hàng giờ phục vụ chiến lược lập lịch vận hành rolling-horizon cho ESS trong hệ thống vi lưới tòa nhà.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Phụ tải tiêu thụ điện ngắn hạn và quy trình dự báo phụ tải tích hợp điều độ ESS trong hệ thống vi lưới tòa nhà.
  • Phạm vi không gian: 4 tòa nhà thuộc khuôn viên Đại học Quốc gia Chonnam (Chonnam National University), Gwangju, Hàn Quốc, bao gồm: Building 6 (Tòa nhà 6), StudentHall (Hội trường sinh viên), HighSchool (Trường trung học trực thuộc) và Building3_5 (Tòa nhà 3-5). Các công trình gồm văn phòng, giảng đường và phòng thí nghiệm.
  • Phạm vi thời gian và dữ liệu: Chuỗi số liệu đo đếm thực tế trong 2 năm từ tháng 3 năm 2014 đến tháng 2 năm 2016, được thu thập ở chu kỳ đo 1 giờ (tổng cộng 17.544 điểm đo đồng bộ với dữ liệu khí tượng từ trạm khí tượng địa phương Gwangju).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án tổng hợp các hướng tiếp cận chính trong dự báo phụ tải điện theo thang thời gian và phương pháp luận:

  1. Phân loại theo thang thời gian dự báo:

    • Dự báo dài hạn (Long-term Load Forecasting - LTLF): Thời gian dự báo từ 5 đến 20 năm, phục vụ quy hoạch xây dựng nguồn phát, mở rộng lưới điện và hoạch định chính sách; sai số chấp nhận được (MAPE) thường quanh mức 10%.
    • Dự báo trung hạn (Medium-term Load Forecasting - MTLF): Thời gian dự báo từ vài tháng đến 5 năm, phục vụ kế hoạch bảo trì, chia sẻ công suất và định giá điện; chia thành hai hướng: kết hợp chỉ số kinh tế - chính sách với thời tiết hoặc chỉ dùng phụ tải lịch sử kết hợp thời tiết.
    • Dự báo ngắn hạn (Short-term Load Forecasting - STLF): Thời gian dự báo từ 1 giờ đến vài tuần, cung cấp đầu vào cho phân tích trào lưu công suất, đánh giá an ninh hệ thống và lập lịch vận hành kinh tế.
    • Dự báo rất ngắn hạn (Very Short-term Load Forecasting - VSTLF): Thời gian dự báo từ vài phút đến 1 giờ, phục vụ điều khiển và xử lý sự cố thời gian thực.
  2. Các phương pháp dự báo truyền thống:

    • Mô hình chuỗi thời gian: Mô hình tự hồi quy AR áp dụng trong [9], mô hình AR ngưỡng phân tầng của R. Huang [10] cho phụ tải theo giờ; mô hình ARMA cho quá trình ngẫu nhiên dừng [11], [28]; mô hình ARMA thích nghi cập nhật sai số trong [12]; mô hình ARIMA cho chuỗi ngẫu nhiên không dừng [13]; mô hình chuỗi thời gian dự báo phụ tải đỉnh trung hạn [26]; mô hình AR kết hợp biến thời tiết [29]. Nhược điểm chung là yêu cầu khối lượng dữ liệu lịch sử lớn, phụ thuộc nhiều vào phân tích thống kê xác định bậc $(p, d, q)$ và nhạy cảm với dữ liệu khuyết/dị biệt.
    • Mô hình hồi quy: Hồi quy tuyến tính đơn biến LR [14], [30] và hồi quy tuyến tính đa biến MLR [15]; cây hồi quy RT [16]. Các phương pháp này khó nắm bắt các mối quan hệ phi tuyến mạnh và dễ gặp vấn đề đa cộng tuyến khi số lượng biến độc lập tăng.
  3. Các phương pháp học máy và trí tuệ nhân tạo (AI):

    • Cây quyết định (Decision Tree - DT): Đã được sử dụng trong dự báo thời tiết [31] và dự báo giá đồng [32], có cấu trúc đơn giản nhưng độ chính xác thấp đối với phụ tải phức tạp.
    • Máy vector hỗ trợ (Support Vector Machine/Regression - SVM/SVR): Nghiên cứu của Vapnik [33]; ứng dụng LibSVM trong [36]; thuật toán memetic dựa trên giải thuật đom đóm tối ưu tham số SVR trong [37]; ứng dụng SVR cho phụ tải tòa nhà dân cư trong [21], [22].
    • Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN): Mạng truyền thẳng nhiều lớp với thuật toán lan truyền ngược (Backpropagation) [38], [39]; ứng dụng ANN phân tích năng lượng tòa nhà tại Trung Quốc [18]; mô hình hóa đường cong nhiệt độ theo giờ để dự báo tải bằng ANN [19]; mạng nơ-ron hàm xuyên tâm RBF của Mai và Chung [20] dự báo tiêu thụ điện tòa nhà văn phòng theo 3 điều kiện thời tiết (nóng, mát, lạnh); dự báo phụ tải hệ thống làm mát bằng ANN [20]; so sánh ANN và MLR trong [40]; tổng quan ứng dụng học máy trong lĩnh vực năng lượng tòa nhà [41].
    • Mô hình lai (Hybrid): Kết hợp giữa ARIMA và ANN hoặc SVM [23], [24], [25] nhằm kết hợp ưu điểm xử lý tuyến tính và phi tuyến, tuy nhiên vẫn chịu gánh nặng phân tích thống kê và đòi hỏi tập dữ liệu lớn.
    • Mạng nơ-ron sâu (Deep Neural Networks - DNN): Được phân tích trong [42], [43], [44], có khả năng trích xuất đặc trưng sâu nhưng yêu cầu tập dữ liệu huấn luyện rất lớn và chi phí tính toán cao.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án khắc phục các hạn chế của phương pháp truyền thống (phụ thuộc giả định dữ liệu dừng, phân tích thống kê phức tạp) và phương pháp học máy thông thường khi áp dụng cho phụ tải tòa nhà vi lưới (độ biến động cao, dữ liệu lỗi nhiều). Luận án tích hợp kỹ thuật phân cụm vào tiền xử lý dữ liệu, tự động hóa gán nhãn đặc trưng nhị phân và thiết lập cơ chế cập nhật mô hình ANN theo từng giờ tương thích với điều độ rolling-horizon của ESS.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và công thức toán học

1. Các mô hình chuỗi thời gian truyền thống

  • Mô hình tự hồi quy bậc $p$ ($\text{AR}(p)$): $$y_t = \beta_0 + \beta_1 y_{t-1} + \beta_2 y_{t-2} + \dots + \beta_p y_{t-p} + \varepsilon_t \quad (1)$$
  • Mô hình trung bình trượt bậc $q$ ($\text{MA}(q)$): $$y_t = \beta_0 + \varepsilon_t + \phi_1 \varepsilon_{t-1} + \phi_2 \varepsilon_{t-2} + \dots + \phi_q \varepsilon_{t-q} \quad (2)$$
  • Mô hình tự hồi quy trung bình trượt ($\text{ARMA}(p, q)$): $$y_t = \beta_0 + \sum_{i=1}^p \beta_i y_{t-i} + \varepsilon_t + \sum_{j=1}^q \phi_j \varepsilon_{t-j} \quad (3)$$

2. Mô hình hồi quy tuyến tính

  • Hồi quy tuyến tính đa biến (MLR): $$y = \beta_0 + \beta_1 x_1 + \beta_2 x_2 + \dots + \beta_k x_k + \varepsilon \quad (5)$$ Trong đó $\beta_0, \beta_1, \dots, \beta_k$ là các hệ số hồi quy riêng phần được ước lượng bằng phương pháp bình phương tối thiểu (Least Squares Method), và $\varepsilon$ là sai số ngẫu nhiên phân phối chuẩn.

3. Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN)

Mô hình ANN gồm lớp đầu vào (input layer), lớp ẩn (hidden layer) và lớp đầu ra (output layer). Các nút nơ-ron liên kết thông qua trọng số được huấn luyện từ dữ liệu lịch sử bằng thuật toán lan truyền ngược, bao gồm giải thuật Levenberg-Marquardt (LMBP) và lan truyền ngược đàn hồi (Resilient Backpropagation - RBP).

4. Kỹ thuật phân cụm (Clustering)

Luận án áp dụng các kỹ thuật phân cụm:

  • Phân cụm phân cấp (Hierarchical Clustering): Sử dụng để phân nhóm các vector phụ tải ngày đầy đủ phục vụ bù dữ liệu khuyết và điểm dị biệt.
  • Thuật toán K-means và Sparsified K-means (K-means thưa): Dùng để phân cụm dữ liệu phụ tải và tự động gán giá trị cho các biến đặc trưng nhị phân.

Phương pháp thực tế và quy trình xử lý dữ liệu

1. Quy trình tiền xử lý dữ liệu khuyết và điểm dị biệt

Dữ liệu phụ tải đo đếm từ smart meter được làm sạch theo quy trình kết hợp Gradient và phân cụm phân cấp:

  • Bước 1: Chuyển đổi dữ liệu chuỗi thời gian liên tục theo giờ thành các vector phụ tải ngày (mỗi vector có 24 chiều, tương ứng 24 giờ trong ngày).
  • Bước 2: Xác định vị trí điểm dị biệt (giá trị bằng 0, âm, hoặc thay đổi đột ngột) dựa trên giá trị Gradient vượt ngưỡng xác định.
  • Bước 3: Tách các vector dữ liệu hoàn chỉnh (không chứa điểm khuyết hoặc dị biệt) và áp dụng thuật toán phân cụm phân cấp (Hierarchical Clustering) để chia thành 2 nhóm.
  • Bước 4: Tính toán vector mẫu trung bình (mean pattern) cho từng nhóm.
  • Bước 5: Tính khoảng cách Euclidean từ vector chứa điểm khuyết/dị biệt đến vector trung bình của từng nhóm để chọn nhóm gần nhất.
  • Bước 6: Thay thế các điểm dữ liệu khuyết hoặc dị biệt bằng giá trị tương ứng tại cùng vị trí thời gian của nhóm gần nhất.

2. Chuẩn hóa dữ liệu

Sau khi tạo lập các biến đặc trưng, phương pháp chuẩn hóa Min-Max được áp dụng để đưa toàn bộ dữ liệu đầu vào về thang đo $[0, 1]$: $$x_{\text{norm}} = \frac{x - x_{\min}}{x_{\max} - x_{\min}} \quad (7)$$

3. Tạo lập và lựa chọn đặc trưng đầu vào (Feature Generation)

Tập đặc trưng đầu vào cho mô hình dự báo bao gồm:

  • Đặc trưng thời gian (Time features):
    • Giờ trong ngày ($h = 1, 2, \dots, 24$), ngày trong tuần ($d = 1$ cho Chủ nhật, $d = 2$ cho Thứ hai,... $d = 7$ cho Thứ bảy), tháng trong năm ($m = 1, 2, \dots, 12$) được mã hóa bằng hàm Cosine: $$\hat{m} = \cos\left(\frac{\pi \cdot m}{6}\right) \quad (10)$$
    • 3 biến nhị phân: Thời gian trong ngày ($t = 0$ cho ban ngày 9:00 - 18:00, $t = 1$ cho ban đêm 19:00 - 8:00); ngày trong tuần ($w$ phân biệt ngày làm việc và ngày cuối tuần); mùa trong năm ($s = 1$ cho mùa lạnh từ tháng 12 đến tháng 3, $s = 0$ cho mùa nóng từ tháng 4 đến tháng 10). Các biến nhị phân này được tự động gán giá trị thông qua thuật toán phân cụm.
  • Đặc trưng nhiệt độ (Temperature features - 4 biến):
    • Nhiệt độ giờ hiện tại: $T(h)$
    • Nhiệt độ giờ liền trước: $T(h-1)$
    • Nhiệt độ trung bình 3 giờ trước đó: $T_{3h}$
    • Nhiệt độ cùng giờ của ngày hôm trước: $T(h-24)$
  • Đặc trưng phụ tải quá khứ (Previous load features - 5 biến):
    • Phụ tải giờ liền trước: $y(h-1)$
    • Phụ tải cùng giờ ngày hôm trước: $y(h-24)$
    • Phụ tải trung bình của 3 giờ gần nhất: $y_{3h}$
    • Phụ tải trung bình của 6 giờ gần nhất: $y_{6h}$
    • Phụ tải trung bình của 24 giờ trước đó: $y_{24h}$

Nguồn dữ liệu nghiên cứu

  • Dữ liệu phụ tải: Thu thập từ hệ thống công tơ thông minh của 4 tòa nhà tại Đại học Quốc gia Chonnam trong thời gian từ tháng 3/2014 đến tháng 2/2016, lấy mẫu theo chu kỳ 1 giờ.
  • Dữ liệu khí tượng: Thu thập từ trạm khí tượng Gwangju (Gwangju meteorological station center) cùng chu kỳ thời gian (nhiệt độ và tốc độ gió đo mỗi 1 giờ, độ ẩm đo mỗi 3 giờ).

Nội dung chính theo từng chương

BACKGROUND AND LITERATURE REVIEW (Tổng quan bối cảnh và tài liệu)

Chương này phân tích tổng quan cấu trúc hệ thống vi lưới và nền tảng quản lý năng lượng MG-EMS, bao gồm giao diện phía lưới (Grid side: Utility interface, PV, Wind, CHP), giao diện phía khách hàng (Customer side: 3rd Prosumer, EV, Building microgrid) và các khối chức năng lõi (Data analysis, Weather forecast, STLF, Optimization, ESS, HMI).

Tác giả tổng kết tỷ trọng tiêu thụ năng lượng của khu vực tòa nhà: chiếm gần 41% tổng năng lượng tiêu thụ tại Liên minh Châu Âu (năm 2015), 73% tổng lượng điện sản xuất tại Hoa Kỳ, và 30% - 40% tổng điện năng tiêu thụ tại Hàn Quốc.

Chương này phân loại chi tiết các phương pháp dự báo tải từ truyền thống (AR, MA, ARMA, ARIMA, LR, MLR, RT) đến học máy (DT, SVR, ANN, DNN) và các mô hình lai, làm rõ ưu - nhược điểm của từng phương pháp trong bối cảnh phụ tải tòa nhà có độ phi tuyến cao.

DATA PREPARATION AND ANALYSIS (Chuẩn bị và phân tích dữ liệu)

Chương này trình bày chi tiết thực trạng dữ liệu thu thập tại Đại học Quốc gia Chonnam và đề xuất thuật toán làm sạch dữ liệu. Dữ liệu thực tế ghi nhận nhiều khối dữ liệu bị khuyết và điểm dị biệt kéo dài do lỗi thiết bị đo hoặc hạn chế bộ nhớ bộ tập trung dữ liệu.

Tác giả so sánh phương pháp tiền xử lý đề xuất (dựa trên Gradient và Hierarchical Clustering) với phương pháp thay thế bằng giá trị trung bình và phép nội suy tuyến tính (Linear Interpolation). Kết quả thử nghiệm trên tập dữ liệu kiểm chứng cho thấy phương pháp đề xuất đạt sai số căn bậc hai trung bình (RMSE) thấp nhất là 11,85.

Phân tích đặc tính phụ tải cho thấy tiêu thụ điện của các tòa nhà mang tính mùa rõ rệt: phụ tải mùa đông (tháng 12 đến tháng 3) tăng cao do sử dụng hệ thống sưởi điện; phụ tải ngày làm việc (thứ Hai đến thứ Sáu) và khung giờ làm việc (9:00 đến 18:00) cao hơn hẳn so với ngày cuối tuần và ban đêm.

Phân tích tương quan thống kê giữa phụ tải và các yếu tố khí tượng (bảng số liệu 17.544 mẫu) khẳng định nhiệt độ là yếu tố có tác động mạnh nhất, trong khi độ ẩm và tốc độ gió có hệ số xác định ($R^2$) rất thấp:

Biến khí tượng Giá trị nhỏ nhất (Min) Giá trị lớn nhất (Max) Giá trị trung bình (Average) Hệ số xác định ($R^2$) Số lượng mẫu ($N$)
Nhiệt độ ($^\circ\text{C}$) -11,9 35,8 14,1 0,1704 17.544
Độ ẩm tương đối (%) 18,0 100,0 69,8 0,0071 17.544
Tốc độ gió ($\text{m/s}$) 0,0 13,5 1,8 $5,83 \times 10^{-5}$ 17.544

Do hệ số tương quan của độ ẩm và tốc độ gió không đáng kể, các mô hình dự báo trong luận án chỉ tập trung khai thác biến nhiệt độ kết hợp với dữ liệu lịch sử phụ tải và các biến lịch biểu.

DATA FEATURES AND GENERATION (Tạo lập và trích xuất đặc trưng dữ liệu)

Chương này thiết lập quy trình tính toán và tạo lập 12 biến đặc trưng đầu vào, phân thành 3 nhóm:

  • Nhóm đặc trưng thời gian: Biến mã hóa cosin của tháng $\hat{m}$, biến thời gian trong ngày $t$, biến loại ngày trong tuần $w$, biến mùa $s$. Kỹ thuật phân cụm được ứng dụng để tự động phân định giá trị cho các biến nhị phân này.
  • Nhóm đặc trưng nhiệt độ: $T(h), T(h-1), T_{3h}, T(h-24)$.
  • Nhóm đặc trưng phụ tải quá khứ: $y(h-1), y(h-24), y_{3h}, y_{6h}, y_{24h}$, phản ánh tính tự tương quan chu kỳ ngày và giờ liền kề.

DESIGN AND IMPLEMENTATION STRATEGY OF LOAD FORECASTING SYSTEM FOR MICROGRID ESS SCHEDULING (Thiết kế và chiến lược triển khai hệ thống dự báo phụ tải phục vụ điều độ ESS vi lưới)

Chương này xây dựng cấu trúc mô hình ANN kết hợp thuật toán phân cụm Sparsified K-means. Luận án thiết kế quy trình triển khai dự báo tích hợp với chiến lược vận hành rolling-horizon cho hệ thống lưu trữ năng lượng ESS.

Trong chiến lược rolling-horizon, kế hoạch nạp/xả của ESS được tối ưu hóa lại sau mỗi 1 giờ dựa trên thông tin hệ thống mới nhất. Để đáp ứng yêu cầu này, mô hình dự báo phụ tải STLF được thiết lập cơ chế tự động cập nhật giá trị phụ tải của giờ vừa qua và thực hiện tái huấn luyện (retraining) tham số mạng ANN định kỳ mỗi giờ, giúp giảm thiểu độ bất định của dự báo phụ tải cho chu kỳ lập lịch tiếp theo.

EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION (Kết quả thực nghiệm và thảo luận)

Chương này trình bày các đánh giá thực nghiệm trên dữ liệu 4 tòa nhà (Building 6, StudentHall, HighSchool, Building3_5) thuộc Đại học Quốc gia Chonnam:

  • So sánh hiệu năng giữa phương pháp đề xuất (ANN kết hợp K-means/Sparsified K-means) với các phương pháp dự báo khác theo chu kỳ 1 ngày và 1 tuần.
  • Đánh giá tác động của biến nhiệt độ và các biến nhị phân đến độ chính xác dự báo (thể hiện qua chỉ số sai số phần trăm tuyệt đối trung bình - MAPE).
  • Đánh giá tác động của các phương pháp huấn luyện mạng (LMBP, RBP).
  • Đánh giá phân phối sai số MAPE và sai số ước lượng vượt (overestimate MAPE) trên từng tòa nhà.
  • Đánh giá độ dài của tập dữ liệu huấn luyện (Length evaluation of training data) và chi phí tính toán (Computation cost) nhằm đảm bảo mô hình có thể hoàn thành việc tái huấn luyện trong khoảng thời gian vận hành từng giờ. Kết quả cho thấy phương pháp cập nhật mô hình định kỳ theo chiến lược rolling-horizon làm giảm đáng kể cả giá trị MAPE trung bình lẫn độ lệch chuẩn của MAPE trên cả 4 tòa nhà khảo sát.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và phương pháp

  1. Quy trình tiền xử lý kết hợp Gradient và phân cụm phân cấp: Xây dựng giải thuật phát hiện điểm dị biệt dựa trên Gradient và thay thế dữ liệu lỗi/khuyết bằng vector mẫu trung bình từ kỹ thuật Hierarchical Clustering 24 chiều, đạt sai số RMSE thấp hơn phương pháp trung bình và nội suy tuyến tính.
  2. Tự động hóa gán nhãn đặc trưng nhị phân: Ứng dụng kỹ thuật phân cụm để tự động xác định các đặc trưng nhị phân (ngày làm việc/cuối tuần, mùa nóng/lạnh, giờ làm việc/ngoài giờ), giảm thiểu can thiệp chủ quan của con người khi dữ liệu tiêu thụ có biến động qua các năm.
  3. Mô hình kết hợp ANN và phân cụm thưa: Kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo với thuật toán Sparsified K-means nhằm tăng khả năng nhận dạng quy luật tiêu thụ phi tuyến ở quy mô phụ tải tòa nhà nhỏ.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Quy trình triển khai cập nhật mô hình theo giờ cho ESS: Đề xuất và kiểm chứng giải pháp tích hợp mô hình dự báo STLF với chiến lược điều độ rolling-horizon của ESS thông qua cơ chế cập nhật dữ liệu và tái huấn luyện mô hình hàng giờ.
  2. Kiểm chứng trên hệ thống thực tế: Toàn bộ giải pháp được kiểm nghiệm trên tập dữ liệu thực tế 2 năm của 4 tòa nhà thuộc Đại học Quốc gia Chonnam, chứng minh sự suy giảm của chỉ số MAPE trung bình và độ lệch chuẩn của sai số, đáp ứng yêu cầu về thời gian và chi phí tính toán cho vận hành thời gian thực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về phạm vi không gian và loại hình phụ tải: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập tại 4 tòa nhà thuộc khuôn viên trường đại học (văn phòng, lớp học, phòng thí nghiệm) với lịch trình sinh hoạt theo học kỳ; chưa mở rộng kiểm chứng trên các dạng phụ tải công nghiệp hoặc khu dân cư phức hợp.
  • Hạn chế về số lượng biến thời tiết: Mô hình chỉ sử dụng biến nhiệt độ do kết quả phân tích thống kê tại khu vực nghiên cứu cho thấy độ ẩm và tốc độ gió có tương quan thấp ($R^2 < 0,01$), do đó chưa tích hợp các yếu tố khí tượng khác như bức xạ mặt trời hay lượng mưa.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng kiểm chứng giải pháp trên các dạng vi lưới có quy mô và cơ cấu phụ tải khác nhau; tối ưu hóa cấu trúc mạng và giảm thiểu thời gian tính toán của thuật toán phân cụm khi số lượng nút đo phân tán tăng lên.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên sau đại học ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo và Hệ thống thông tin: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình xử lý dữ liệu đo đếm thực tế (smart meter), phương pháp trích xuất đặc trưng kết hợp biến lịch biểu và khí tượng, cùng kỹ thuật lập trình mô hình lai giữa ANN và thuật toán phân cụm.
  • Đối với kỹ sư vận hành hệ thống năng lượng và EMS: Tham khảo quy trình thiết kế module dự báo phụ tải ngắn hạn có khả năng tự động cập nhật và huấn luyện lại theo giờ, đồng bộ với thuật toán điều độ rolling-horizon cho pin lưu trữ năng lượng ESS.
  • Đối với các nhà quản lý cơ sở hạ tầng và tòa nhà thông minh: Cung cấp phương pháp phân tích đặc tính phụ tải thực tế theo mùa và khung giờ làm việc, phục vụ việc xây dựng kế hoạch tiết kiệm năng lượng và tham gia thị trường điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án chỉ chọn yếu tố nhiệt độ làm đầu vào khí tượng mà không dùng độ ẩm và tốc độ gió?

Dựa trên kết quả phân tích tương quan thống kê 17.544 mẫu dữ liệu thu thập trong 2 năm tại Gwangju (Bảng 2 trong luận án), hệ số xác định ($R^2$) giữa điện năng tiêu thụ và nhiệt độ đạt 0,1704, trong khi độ ẩm tương đối chỉ đạt 0,0071 và tốc độ gió chỉ đạt $5,83 \times 10^{-5}$. Do độ ẩm và tốc độ gió có mức độ tương quan tuyến tính không đáng kể với phụ tải tại địa bàn nghiên cứu, việc loại bỏ hai biến này giúp tinh giản mô hình và giảm chi phí tính toán.

2. Thuật toán bù đắp dữ liệu khuyết và loại bỏ điểm dị biệt của luận án hoạt động như thế nào?

Dữ liệu liên tục được chuyển thành các vector 24 chiều (24 giờ trong ngày). Vị trí dị biệt được phát hiện thông qua độ dốc Gradient vượt ngưỡng. Thuật toán phân cụm phân cấp (Hierarchical Clustering) được áp dụng trên các vector dữ liệu hoàn chỉnh để chia thành 2 nhóm và tính vector trung bình của từng nhóm. Sau đó, khoảng cách Euclidean từ vector có dữ liệu lỗi/khuyết đến từng nhóm được tính toán để chọn nhóm gần nhất, và giá trị khuyết/lỗi được thay thế bằng giá trị tại vị trí tương ứng của nhóm đó.

3. Phương pháp mã hóa thời gian dạng hàm Cosine trong luận án được biểu diễn bằng công thức nào?

Biến tháng trong năm ($m = 1, 2, \dots, 12$) được mã hóa bằng hàm Cosine theo công thức: $$\hat{m} = \cos\left(\frac{\pi \cdot m}{6}\right)$$

4. Chiến lược vận hành rolling-horizon của hệ thống ESS đòi hỏi mô hình dự báo STLF phải đáp ứng yêu cầu gì?

Chiến lược rolling-horizon thực hiện lập lịch nạp/xả cho ESS định kỳ mỗi 1 giờ dựa trên thông tin phụ tải mới nhất. Do đó, hệ thống STLF phải cập nhật dữ liệu phụ tải của giờ vừa qua và thực hiện tái huấn luyện mô hình ANN định kỳ hàng giờ để cung cấp kết quả dự báo có độ chính xác cao nhất cho chu kỳ lập lịch tiếp theo.

5. Dữ liệu thực nghiệm của luận án được thu thập từ những đối tượng cụ thể nào?

Dữ liệu được thu thập từ hệ thống công tơ thông minh của 4 tòa nhà thuộc Đại học Quốc gia Chonnam (Gwangju, Hàn Quốc) gồm: Building 6, StudentHall, HighSchool và Building3_5, trong khoảng thời gian 2 năm từ tháng 3 năm 2014 đến tháng 2 năm 2016 với chu kỳ lấy mẫu 1 giờ.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Minh Đức đã giải quyết bài toán dự báo phụ tải ngắn hạn cho hệ thống vi lưới tòa nhà bằng cách kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với các kỹ thuật phân cụm. Các đóng góp chính bao gồm quy trình làm sạch dữ liệu dựa trên Gradient và phân cụm phân cấp, phương pháp tự động gán nhãn đặc trưng nhị phân, và chiến lược tái huấn luyện mô hình cập nhật hàng giờ phục vụ điều độ rolling-horizon của hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS). Kết quả thực nghiệm trên chuỗi số liệu 2 năm tại 4 tòa nhà thuộc Đại học Quốc gia Chonnam xác nhận hiệu quả của phương pháp trong việc giảm sai số MAPE và độ lệch chuẩn sai số, đảm bảo tính khả thi về thời gian tính toán cho các ứng dụng quản lý năng lượng vi lưới.